异步IO：新时代的IO处理利器

无论是非阻塞IO，IO复用，还是信号驱动式IO，都不是真正意义上的IO，真正的异步IO是数据从内核空间拷贝到用户空间也是异步处理的，拷贝完成，再通知应用进程，应用进程直接读取用户空间的数据进行操作。

到目前为止，我们介绍了阻塞IO，非阻塞IO，信号驱动式IO，IO复用，我们打个形象的比方，来对这几种IO做下区分。

我们去网上买东西，下完单之后，你可以有如下几种处理方式：

• 下完单之后，在门口一直等待快递小哥把快递送上门，这就是同步阻塞IO;
• 下完单之后就不管了，直到快递小哥打电话给你通知你去取快递，这就是同步非阻塞IO里面的信号驱动式IO;
• 下完单之后，你定时的去物流app上面查看你所有快递的状态，只要有快递送到了寄存点，你就去取，这就是同步非阻塞IO里面的IO复用;
• 下完单之后，你就不管了，直到快递小哥给你送上门，你直接拿到了快递，你不用出门就可以拿到快递了，这就是异步IO。

异步IO最关键的一点就是在读取数据的时候，将IO的buffer提交给内核，让内核往这个buffer写数据。

这节我们就来介绍下异步IO模型和相关API，并且顺便介绍下当下最新的更高性能的IO模型。

阅读完本文，你将了解到：

• 异步IO的原理;
• POSIX下定义的异步IO接口以及使用方式;
• 异步IO的发展方向。

1、异步I/O模型介绍

下面是异步IO(asynchronous I/O)的执行流程流程：

通过异步处理函数如aio_read告知内核启动某个动作，并且让内核在整个操作完成之后再通知应用进程，内核会在把数据复制到用户空间缓冲区之后再进行通知。整个IO过程应用进程都不会被阻塞。

异步IO最大的优化点在于：系统调用是昂贵的，异步IO将轮训等待数据的系统调用(如select，poll，epoll)和读取数据操作合并起来。

下面我们就通过具体了例子来演示下异步IO程序的处理流程。

2、异步IO相关函数使用案例

本节我们介绍下POSIX定义的异步操作接口。

2.1、异步IO相关API

每个异步函数都需要传入一个aiocb结构(异步IO控制块)，这个结构格式如下：

struct aiocb { 
  /* The order of these fields is implementation-dependent */ 
  int             aio_fildes;     /* File descriptor */ 
  off_t           aio_offset;     /* File offset */ 
  volatile void  *aio_buf;        /* Location of buffer */ 
  size_t          aio_nbytes;     /* Length of transfer */ 
  int             aio_reqprio;    /* Request priority */ 
  struct sigevent aio_sigevent;   /* Notification method */ 
  int             aio_lio_opcode; /* Operation to be performed; 
                                                  lio_listio() only */ 
  /* Various implementation-internal fields not shown */ 
}; 

该结构体指定了要异步操作的套接字描述符，操作过程中用到的缓冲，其中aio_sigevent告诉AIO在IO操作完成时，应该指向什么操作。

常见的异步IO相关函数如下：

INT AIO_READ(STRUCT AIOCB *AIOCBP)

请求异步读操作，该函数将aiocbp指向的缓冲区描述的I/O请求排队。

注意：aio_read的aiocbp中一定要设置偏移量

在传统的非异步read操作中，偏移量是在文件描述符上下文进行维护的，对于每个操作，偏移量都需要更新，以便后续的操作可以对下一块数据进行寻址。

而对于异步read操作来说，可以同时执行很多异步IO read操作，所以这里需要的指明处理的文件的偏移量aiocbp->aio_offset和异步读取的内容的长度aiocbp->aio_nbytes。

aio_read调用后，文件偏移量变为未设置。

INT AIO_WRITE(STRUCT AIOCB *AIOCBP)

请求异步写操作，该函数将aiocbp指向的缓冲区描述的I/O请求排队。

aio_write不一定要设置偏移量

如果打开的文件，设置了O_APPEND选项，那么偏移量就会被忽略，数据会被附加到文件的末尾;如果未设置O_APPEND，那么从aiocbp->aio_offset开始写入数据，而不考虑文件的偏移量。

SSIZE_T AIO_RETURN(STRUCT AIOCB *AIOCBP)

获取完成的异步请求的返回状态。

由于IO异步化了，需要有专门的函数来获取异步处理的状态。

aio_return的返回值即相当于read或write等系统调用的返回值。如果出错，则返回-1，并正确设置errno。

可能的响应值：

• 成功后，将返回处理的字节数;
• -1：发生错误，并且设置errno以指示错误原因;

只有在aio_error调用返回EINPROGRESS之外的值之后，才可以调用这个函数，并且只允许调用一次。

INT AIO_ERROR(CONST STRUCT AIOCB *AIOCBP)

检查异步请求的状态，可能的响应值：

• EINPROGRESS：如果请求还没有完成;
• ECANCELED：如果请求已经被取消;
• 0：如果请求已完成;
• 如果异步IO操作失败，则为一个正数的error number，与同步的read(2), write(2), fsync(2),或者 or fdatasync(2)系统的errorno一致。

AIO_SUSPEND

int aio_suspend(const struct aiocb * const aiocb_list[], 
                       int nitems, const struct timespec *timeout); 

挂起调用进程，直到一个或者多个异步请求完成或失败。

aiocb_list中存放需要等待的异步请求，如：

struct aioct *cblist[MAX_LIST]； 
... 
cblist[0] = &aiocb1; 
 
ret = aio_read( my_aiocb1 ); 
ret = aio_suspend( cblist, MAX_LIST, NULL ); 

INT AIO_CANCEL(INT FD, STRUCT AIOCB *AIOCBP)

取消异步IO请求。

LIO_LISTIO

int lio_listio(int mode, struct aiocb *const aiocb_list[], 
                      int nitems, struct sigevent *sevp); 

发起一系列的IO操作，启动数组aiocb_list描述的I/O操作列表。

下面通过具体例子展示aio的用法。

2.2、aio_read例子

如下是一个使用aio_read的例子：

我把重要的处理步骤都标注起来了，并在代码中做了说明，这里不重复描述，需要注意几点：

• aio_read的aiocbp中一定要设置偏移量;
• 一定要在调用aio_error，并且返回值不是EINPROGRESS之后，才调用aio_return后去异步IO处理状态。

以上就是目前异步IO API的设计和基本使用方法。

3、操作系统对异步IO的支持情况

3.1、Linux下的异步IO

上一节介绍了POSIX下定义的异步操作接口，但是可惜Linux的aio操作不是真正的操作系统级别的支持，而是在用空间中借由GNU库函数由pthread方式实现的，没有对套接字IO进行支持。

基于以上原因，Linux下面，大部分还是通过使用epoll多路复用技术，以及非阻塞IO，通过事件分发模型来构建高性能网络程序。

3.2、Windows下的异步IO

Windows实现了一套称为IOCP(I/O Completion Ports，IO完成端口)[1]的完整的异步编程接口。IOCP提供了一种有效的线程模型，用于在多处理器系统上处理多个异步I / O请求。

当进程创建IOCP时，系统会为请求创建关联的队列对象，其唯一目的是为这些请求提供服务。

一个进程通过将IOCP与预分配的线程池结合使用，来处理许多并发异步IO请求，相比于通过在接收IO请求时创建线程，会更快，更高效。

基于IOCP，产生了Proactor模式，一种与Reactor模式类似，但是更加高效的模式。

这里是不是看的有点不太懂，没关系，在后续高性能网络编程范式章节中，我们会详细介绍这两种模式。

4、更高效的IO

4.1、背景

由于Linux下并没有广泛被采用的AIO技术，aio系列的函数是有POSIX定义的异步操作接口，并不是真正操作系统内核支持的异步IO。

目前最流行的还是基于epoll的多路复用技术，以及依托多路复用技术产生的Reactor模式。

为了推动AIO在Linux系统的发展，实现更加高效的IO，于是后来变有了io_uring。

4.2、io_uring

io_uring是在Linux Kernel 5.1中添加的，用于替代AIO和io_submit，构造通用的异步系统调用接口。

关于异步IO就介绍到这里，在下一篇文章中，我们会详细探讨使用各种IO模型的高性能网络编程范式。

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